在實證與建模過程中探究細胞邊界問題

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孫國華，天津市中學生物特級教師。其教學和人格影響了一大批學子，有的學生就是因為遇到他才在高考中選擇了生物學專業。孫老師執教的《細胞膜——系統的邊界》一課，受到了中國生物學會顧問、北京師范大學教授、特級教師朱正威先生和人民教育出版社總編輯助理、中國生物學會理事長趙占良先生的好評，他們都認為該課獨具匠心，尤其是對教材的創新，把平淡無奇的內容進行精心巧妙的設計，以問題串為主線，把科學探究、模型建構、科學史等教學內容有機地結合起來，充分展示了其特級教師的教學特色。

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B 文章編號：1673-4289（2013）02-0035-05

一、問題啟迪思維：細胞真的有細胞膜嗎？

“細胞膜——系統的邊界”是人教版高中生物必修I第3章《細胞的基本結構》第1節的內容，是學生認識細胞結構的開篇。

師：細胞是最小的生命系統。作為系統應該具有邊界，那么細胞的邊界是什么？誰看見過？請同學給大家描述一下。

生：有邊界，叫細胞膜，可是沒見過。教材上說細胞有細胞膜，初中時老師也講過它有細胞膜。

師：教材上說的一定正確嗎？老師講的一定對嗎？其實在電鏡出現之前，沒有人真正看到過細胞膜，科學家是通過邏輯推理，推測出細胞應該存在著細胞膜。

教者展示人口腔上皮細胞照片（如圖1）。

師：從這個人口腔的上皮細胞不難發現，細胞真有邊界。按照正常的邏輯，有膜一定會有邊界，但有邊界不一定有膜。如氣球有邊界，因為氣球有膜，而鉛球雖有邊界，但沒有膜。有邊界是有膜的必要條件，但不充分。

教者展示雞蛋打在玻璃板的照片（如圖2）。

師：雞蛋還叫卵，卵是細胞。其實雞蛋里的卵黃才是細胞。將蛋殼打開，蛋清平鋪在玻璃板上，而卵黃（卵細胞）卻呈球狀，這說明什么？

生：說明卵黃有邊界，卵黃外有膜包裹。

教者演示模擬實驗：用無色透明的橡膠球構建細胞模型，用注射器慢慢地向球中注射伊紅染料，染料充滿球體但不會溢出（如圖3）。

師：為什么球中的伊紅沒有溢出？

生：橡膠球有膜。

教者展示給變形蟲注射伊紅染料的圖片。注射過的變形蟲細胞里充滿紅色，而染料同樣沒有溢出（如圖4）。

師：結合前面的模型模擬實驗，這個實驗結果說明了什么？

生：說明變形蟲細胞與橡膠球一樣，外側有膜。

學生通過觀察、實驗和類比推理得出結論：細胞應該存在細胞膜。

【解讀】問題的提出不只是用于引課，還在于培養學生敢于質疑的批判思維，從似乎沒有問題的地方發現問題，激起了學生的探究興趣。在解決問題過程中，運用圖片觀察、模型建構和類比推理等方法，培養了學生的思維能力，使學生學會了研究問題的一般方法。

二、實證建構模型：實驗室怎樣制備細胞膜？

類比推理得出的結論沒有邏輯的必然性，只有通過實驗從細胞中得到了細胞膜，才能證明其存在，正所謂“眼見為實”。

（一）用什么材料能得到細胞膜？

師：合適的材料是實驗成功的關鍵，用什么材料能得到細胞膜呢？

教材中“體驗制備細胞膜的方法”的實驗，提供的材料是哺乳動物的血液。教者展示哺乳動物放大的血液涂片（如圖5）。

師：圖中最大的細胞是白細胞，白細胞有細胞核和多種具有膜結構的細胞器。制備細胞膜能用白細胞嗎？為什么？

生：不能，因為白細胞內有多種膜，從白細胞中得到的膜，不一定是細胞膜。

教者展示放大的紅細胞模型（如圖6）。

師：紅細胞雖然小，但在血細胞中數量大。從圖6可見，成熟的紅細胞呈雙凹面圓餅狀，使細胞膜與體積的比更大，紅細胞沒有細胞核和各種具有膜結構的細胞器。

生：用哺乳動物成熟的紅細胞可制備細胞膜。

（二）怎樣得到哺乳動物的紅細胞？

師：血液好比一鍋煮熟的元宵，血漿是湯，血細胞是湯里的元宵。元宵中個頭最大是白細胞，最小的是血小板，數量最多且呈紅色的是紅細胞。紅細胞的密度最大。用什么方法能將中等大小的元宵（紅細胞）取出？

生：用靜置分層的方法讓密度大的紅細胞沉降，然后取出紅細胞。

教者展示給血液中加入抗凝劑檸檬酸鈉后，血液在量筒中分層的結果證明了學生的設想可行（如圖7）。

師：加抗凝劑讓血液分層耗時太長，怎樣才能快速分離出紅細胞？

教者為學生構建模型：回憶雜技表演上的水火流星場景或體育比賽中鏈球運動員拋球前的旋轉動作，引發學生的思考和討論。

生：可采用離心法將紅細胞快速分離出來。

【解讀】離心技術的引入，不只是提供一種快速分離紅細胞的方法，也為后面采用離心法分離細胞膜做鋪墊。得到紅細胞后，用生理鹽水制成等滲的紅細胞稀釋液備用。等滲溶液及生理鹽水概念的引入，是為下一步獲取細胞膜做鋪墊。

（三）怎樣得到紅細胞的細胞膜？

師：能用針扎或用鑷子撕的方法取下紅細胞的膜嗎？

生：不能，因為紅細胞太小了。

師：能否用一種方法讓紅細胞自己破裂？

生：紅細胞在等滲溶液中形態不變，如果讓紅細胞處于清水中，紅細胞可能會吸收水漲破，從而得到細胞膜。

師：這種方法真的可行嗎？

教者展示生理鹽水中人正常紅細胞光鏡照片、低滲或清水中紅細胞吸水膨脹的光鏡照片及紅細胞在清水中形態變化圖（如圖8）

生：用蒸餾水處理，紅細胞會自己吸水漲破。

師：研究細胞膜的化學成分需要較多的細胞膜，怎樣得到大量的細胞膜？又怎樣將細胞膜分離出來呢？

教者及時提示：細胞膜比血紅蛋白的密度大。引導學生把離心法分離紅細胞的技術遷移過來。

生：將離心得到的紅細胞加入試管中，通過向試管中加入蒸餾水的方法讓紅細胞破裂，再通過離心技術將細胞膜離心出來，得到較純凈的細胞膜。

教師展示離心機、離心管和離心原理圖片（如圖9）

【解讀】問題驅動才能激發學生學習的欲望。將問題設計成串，層層深入引發學生的思考。通過模型建構，將微觀事物放大，將陌生事物與生活中最熟悉的東西建立起聯系，再發動學生討論。教者在學生發表意見之前，做好必要的知識和技能鋪墊，達到了“跳一跳摘桃子”的效果。教者給學生提供更多的參與教學的機會，通過適當的引導，使學生把握正確的思維方向。教者用實驗佐證假說，強調了生命科學的實驗驗證性。

三、定性破拆探究：細胞膜的成分有哪些？

師：細胞膜中含有哪些成分呢？

教者帶領學生根據邏輯關系先對細胞膜的成分進行預測：細胞中含有六種化合物，而細胞膜是細胞的組成部分，其成分無非是六種或六種中的某幾種。

師：你覺得該如何探求細胞膜的成分？

教者為學生建立模型：假如面前有一堵墻，但不知道這堵墻是由什么材料砌成的，那么可以采用破拆的方法找到答案。如果拆出了磚，那么墻的材料中就有磚，如果拆出了石頭，那么構成墻的材料中就有石頭。

生：明白了，可采用破拆細胞膜的方法弄清細胞膜的組成成分。

教者展示相關實驗過程（如圖10）向裝有適量細胞膜的試管中加入2mL的脂質溶劑，用以能溶解脂質，使其在適宜條件下細胞膜消失。

師：實驗結果說明了什么？

生：細胞膜中一定含有脂質。

師：本實驗是定性實驗，但通過細胞膜的消失能否說明量的問題？

生：脂質在細胞膜中的含量應該較大，因為當除去脂質后，細胞膜垮掉了。

師：蛋白質是生命活動的主要承擔者，細胞膜中應該含有蛋白質。請同學們回憶相關物質鑒定實驗，如何驗證假說？

生：向溶解了細胞膜的溶液中加入雙縮脲試劑，若溶液變藍，則說明細胞膜中含有蛋白質。

師：思路很好。檢驗的結果是溶液變藍，假說得到證實。如何確認這一結果并確定蛋白質在細胞膜中的含量？

生：可同樣采取破拆細胞膜的方法。

教者像上面的實驗一樣展示相關實驗全過程。即向加入適量細胞膜的試管中加入2mL的蛋白酶溶液，在適宜條件下細胞膜消失。為學生補充有關酶的知識，告知學生蛋白酶能分解蛋白質。

師：實驗結果說明了什么？

生：細胞膜中含有蛋白質，且其含量應該較大。

教者進一步引申：科學家給含有細胞膜的溶液試管中，同時加入適量的脂質溶劑和蛋白酶溶液，但是從得到的液體中還能檢測到少量的糖類。

師：上述這一系列實驗說明了什么？

生：細胞膜是由脂質、蛋白質和糖類三種成分組成，脂質和蛋白質的含量高。

【解讀】不直接呈現結論，而是展示結論得出的實驗過程。把結論變成研究的課題，通過已有知識，對細胞膜的成分提出假設，然后通過模型建構明確研究思路，體驗研究過程，強化實驗意識。通過展示探究實驗，學生不僅能理解細胞膜的成分，還掌握了探究問題的方法，提高了學生的學習興趣，避免了死記硬背。

四、類比歸納探究：細胞膜的功能如何？

師：通過實驗我們得出了細胞膜的成分，細胞膜的功能如何？

教者展示草履蟲（圖12）和變形蟲（圖13）在水中生活的圖片。

師：由圖可見，這兩種單細胞原生動物的細胞內物質與外界的水環境為什么沒有混為一體呢？

生：因為它們有細胞膜，細胞膜能將細胞與外界環境分隔開。

教者分別展示“藍墨水鑒定玉米種子活性”實驗、“向變形蟲注射伊紅”的實驗及“脂溶性物質易于通過細胞膜，非脂溶性物質不易通過細胞膜”的實驗。

師：這三個實驗說明了什么？

生：細胞膜能控制物質進出細胞。

師：高等動植物由多細胞構成，多細胞生物生命活動的協調性離不開細胞間的信息溝通。

教者展示內分泌細胞功能圖片（圖13）。

師：激素通過體液的傳送，只有被靶細胞上的受體接受，靶細胞才能得到信息，而受體在靶細胞膜上，這說明了什么？

生：說明細胞膜能夠接受信息（教者展示圖14）。

師：有些信號分子結合在細胞膜上，這說明了什么？

生：細胞膜還能發出信息。

教者展示植物細胞的胞間連絲（如圖15）。植物細胞的胞間連絲是由細胞膜形成，是植物細胞之間進行信息傳遞的通道。

師：上述事實說明了什么？

生：說明細胞膜能進行細胞間的信息交流。

【解讀】細胞膜的功能同樣應通過實例或實驗由學生歸納總結得出。教師不能給現成的結論，要為學生創設問題的情景，引導學生通過自主探究得出結論，只有自己總結的結論才能記憶深刻，才有成就感，才能找到學習的樂趣。

五、反思破拆探究：咋不用植物細胞提取細胞膜？

師：通過對胞間連絲的認識，我們想到植物細胞也有細胞膜。植物細胞材料易得，能不能用植物細胞提取細胞膜呢？

教者展示植物細胞亞顯微結構圖（如圖16）。

生：植物細胞膜有細胞壁，細胞內有核膜和多種細胞器膜，不能用于提取細胞膜。

師：細胞壁的存在不利于細胞膜的提取。那么用什么方法研究細胞壁的成分和功能？

生：可采用破拆細胞壁的方法。

教者展示實驗：用纖維素酶和果膠酶處理植物細胞后，細胞壁消失，沒有細胞壁的細胞在低滲溶液中會吸水漲破。

師：通過實驗得出什么結論？

生：細胞壁的成分是纖維素和果膠，細胞壁的功能是對細胞具有支持和保護作用。

師：植物細胞的最外側是細胞壁，細胞壁是細胞系統的邊界嗎？

生：不能，不是所有細胞都有細胞壁，另外細胞壁不具備系統邊界具有的相關功能。

教者設計了適當的課堂反饋，同時留了一個較開放的家庭作業：結合本節所學，根據生物體結構和功能相適應的原理，請你設想一下細胞膜應具有怎樣的結構？

【解讀】知識和能力是為了解決將來面臨的新問題服務的。本課的細胞壁的結構和功能不是本節課的重點，問題的移入是考查學生能否將本節課所學的知識和技能靈活應用。

·全課解讀·

筆者認為，教師無論是授人以漁，還是授人以魚，首先要讓學生對魚產生興趣。所以本節展示課以問題串的形式對學生進行誘導，讓其欲罷不能。教者不是簡單地給出結論，而是展示知識發生的過程。通過授人以漁，提高了學生的學習能力。

一、質疑，思維定向，激起探究興趣

實驗與探究能力是高考命題的要求，也是課堂教學的重要內容。探究式學習，首先要有需探究的內容或課題，教師要善于發現教材中蘊含的問題，巧妙發問，機智設疑。教師是用教材教，而不是教教材，要創新思維，要使教材變得生動有趣。教者通過“細胞的邊界是什么和誰看見過”這個似乎唐突的問題，培養學生敢于質疑的學術思想，通過實驗觀察、模型建構、類比推理，得出細胞應該存在細胞膜的結論，激發了學生研究細胞膜的興趣。

二、連接，問題成串，層層深入思考

探究始于問題，事實勝于雄辯。巧設計問題串，提出假說，然后用實驗佐證是本節課的亮點。探究式教學是時代的需要，變學生的被動聽為主動學，被動接受為主動獲取是在問題串的引領下實現的。要證明細胞膜的存在，就要提取到細胞膜；要提取細胞膜，就要找到合適的材料。通過實驗觀察和圖片分析，得出哺乳動物成熟的紅細胞符合要求，可是血液中不只有紅細胞，從而引出了下一個問題。通過配制等滲紅細胞稀釋液，引出滲透壓的問題。從而引起學生對“如何得到細胞膜”的討論。在問題串的引領下，通過一個個實驗，細胞膜的成分，細胞膜的功能被逐一顯現。這樣，本課以問題為紐帶，實現了知識和能力的雙提升。

三、探究，體驗過程，強化實驗意識

要善用模型，培養學生的形象思維和邏輯思維。鼓勵學生結合自己已有的認識，大膽地提出假說。假說是否成立，要嚴謹地用實驗加以驗證。因為生命科學一切結論的得出都要建立在實驗的基礎上。本課將結論變成探究的課題，用實驗演繹結論得出的過程，從細胞膜的成分到細胞膜的功能，沒有一個知識點是教師強加的。教師通過復習蛋白質的鑒定方法，介紹相關溶劑及酶的專一性原理，使學生迅速掌握了細胞膜的成分。同時，學生通過圖片觀察和實驗分析，結合已有經驗，自己總結出了細胞膜的功能。

四、延伸，反思所得，啟發新的思考

教學是教會學生學習，通過方法的傳授，實現學生學習的可持續發展。要培養學生的遷移能力，用掌握的知識和技能解決新的問題，用開放的問題打開思路和視野。本課的“細胞壁是細胞系統的邊界嗎”這個問題，是對本節課學生掌握知識靈活度的檢驗；對細胞膜的結構展開想象，既考查了學生對生物體結構與功能關系的理解和應用，又為后面學習細胞膜的流動鑲嵌模型做好了鋪墊。

（作者單位：濱海新區塘沽第一中學，天津 300450）